有限元分析方法在脊柱生物力学研究中的应用进展

有限元分析方法是一种将复杂的大问题分解为多个小问题来解决的方法,借此它可以用多个小元素去模拟真实的物理系统,极大地推动了生物力学的发展。生物力学一直以来都是脊柱外科的热门研究方向,而有限元分析方法在脊柱生物力学中的应用也颇为广泛：可以在计算机上模拟健康的脊柱,研究正常脊柱在各种状态下的应力,为脊柱的基本应力研究提供帮助...     

有限元方法在颈脊柱不稳生物力学分析中的应用

本文介绍了近年来有限元方法应用于颈脊柱不稳生物力学分析的研究新进展，并讨论了其在临床工作中的意义，提出了建立有限元模型的一些思路。作为一种理论性的模拟分析，有限元方法必须要结合临床检验和观察，才能真实地反映颈脊柱的受力情况，为疗效预测提供参考。     

有限元方法在脊柱侧凸生物力学领域的应用

脊柱侧凸是由多种因素联合作用引起的脊柱三维平面的畸形,该疾病不仅在冠状面表现为脊柱的侧向弯曲,而且往往合并矢状面生理曲度的异常及横断面上椎体的旋转。由于病理解剖特点,脊柱在侧凸后和行矫治术后的生物力学变化较正常生理曲度的脊柱复杂得多。有限元法是继机械法、电测     

有限元分析在颈椎生物力学研究中的应用

随着计算机技术的不断发展,骨科虚拟建模也越来越先进。有限元分析是研究颈椎功能、发病机制及选择颈椎疾病治疗方法的重要方法。该方法具有操作简便、模型获取方便、实验可靠性强等优点,近年来在脊柱外科基础和临床研究中获得较大关注。该文就有限元方法在颈椎椎体、颈椎间盘、颈椎韧带、颈椎中医按摩手法、颈椎手术（包括颈前路手术、颈后路手术）等研究中的应用进行综述。     

有限元方法在颈椎生物力学研究中的应用进展

有限元方法作为一种新的生物力学研究方法,属于数学物理方法范畴.有限元方法在人体的生物力学分析中已经得到广泛的应用,脊柱的有限元分析是热点之一,有限元模型不仅能逼真地模拟椎体、椎间盘、脊髓、韧带,甚至肌肉,还能分析模型内部各种组织的应力和张力.近些年,随着计算机辅助技术的发展,颈椎有限元模型的不断完善,有限元方法在颈椎损伤机制,颈椎手术方式以及内固定器械等方面的生物力学分析起着越来越大的作用.现将近年来有限元方法在颈椎生物力学研究中的应用进展作如下综述.     

颈椎生物力学中的三维有限元分析

生 物 力 学 因 素 在 脊 柱 疾 患 的 发 病 机 制 中 具 有 十 分 重要 的意 义。 随 着对 脊 柱 疾 病的 认 识 不 断深 入 ,对 其 力 学 研究 的要 求也 相 应提 高。有 限元 方 法是 目前 应 用较 广泛 的 一种 数学 计算 方 法,是 矩阵 方 法 在 结构 力 学 和 弹性 力 学 等 领域 中的 发展 和 应用 。基本 原理 是 把一 个由 无 限个 质点 构 成并 且 有 无 限 个 自 由 度 的 连 续 体 划 分 为 有 限 个 小 单 元 体 组成 的集 合体 。 此过 程 称 为 有限 元 模 型 的离 散 化 ,用 这 种 离散 化的 有限 单 元模 型 代 替 原有 …     

胸腰椎脊柱损伤的生物力学及有限元分析

在过去几十年里 ,交通事故、坠落等导致脊柱损伤的大量增加 ,对其损伤机制的研究成为临床医师迫切需要解决的问题 ,临床上对脊柱损伤的认识最初来自对脊柱形态学的研究。 5 0年代初 ,Nicoll首先将胸腰椎损伤分为稳定型与非稳定型 ,并对此进行了阐述[1] 。 1 963年 Holdsworth[2 ] 修改并补充了Nicoll的损伤分类 ,根据对 X片的观察 ,提出了暴力类型与脊柱骨折的关系 ,将暴力分为屈曲、屈曲旋转、伸展及压缩四种类型 ,脊柱特定的损伤是由其中一处或两种暴力共同作用的结果。认为脊柱的稳定性取决于后韧带复合体完整。屈曲暴力导致椎体前部压…     

有限元分析在骨折生物力学研究中的应用

当前,骨折治疗理论要求寻找能真实反映在体骨力学特性的模型,以便提高生物力学实验结果的价值,指导临床工作中减少对骨折部位的应力干扰,达到促进骨折愈合的目的。传统的生物力学研究方法存在明显的缺点,其中包括：应用动物或人离体标本模型与人在体骨有较大差异;不能获得标本内部的应力变化;实验结果受标本个体差异、设备条件、实验者技术水平等因素的影响等。     

有限元分析法评价脊柱医源性负荷研究进展

有限元分析法自20世纪60年代末应用于医学领域,70年代首次应用于脊柱生物力学研究.近年研究已取得迅猛发展,尤其在评价脊柱医源性负荷方面突显出其优越性.该文就近年国内外有限元分析法评价脊柱医源性负荷的应用进展,及其对临床脊柱生物力学研究的意义、目前存在的不足和发展前景作一综述.     

臼杯假体高度对臼杯-骨界面应力应变影响的有限元分析

目的探究臼杯假体模拟植入Crowe Ⅱ/Ⅲ型DDH髋臼的不同高度时臼杯-骨界面间应力和应变分布特征。 方法基于3位Crowe Ⅱ/Ⅲ型DDH患者髋关节的CT扫描数据,利用计算机软件作髋臼三维建模,在距髋臼下缘连线垂直高度为15、21、30 mm处分别模拟植入臼杯模型,并转化为三维有限元网格模型,施加静力载荷,记录臼杯-骨界面的应力和应变数据,行配对t检验或Wilcoxon符号秩检验分析各组最大应力及应变的差异。 结果3组臼杯模型在距髋臼下缘连线垂直高度为21 mm处的最大应力值最小,分别为患者A 10.03 Mpa、患者B 17.67 Mpa和患者C 14.99 Mpa。在安装高度为15 mm和30 mm处,臼杯的最大应力值分别为患者A 20.64、12.03 Mpa,患者B 22.06、23.02 Mpa和患者C 34.72、17.88 Mpa。对15、21、30 mm处骨质、臼杯的最大应力及应变行两两配对检验显示各组差异无统计学意义(校正后P>0.0167)。不同安装高度下臼杯假体及假体周围骨组织应变量没有明显分布规律。 结论对于Crowe Ⅱ/Ⅲ型DDH患者行全髋关节置换术,适当上移臼杯旋转中心能减少臼杯假体最大应力。     

腰椎侧凸螺钉内固定节段对手术矫正效果影响的有限元分析

目的:应用有限元分析的方法,模拟腰椎侧凸矫形手术,探讨内固定螺钉位置对脊柱侧凸矫形的效果。方法:利用Simpleware软件建立L1～L5侧凸的三维有限元模型,侧凸角40°。在此模型上设计6组(A～F组)凹侧椎弓根螺钉置入计划,其中A-E组为5个椎体依次空缺1个螺钉,F组作为对照行5个椎体置钉,连接矫形棒。应用ANSYS和ADAMS软件,计算矫形过程中反旋转和回弹时置入物所受载荷(最大扭矩及最大拔出力)以及脊椎的应力应变场。结果:6组矫形结束后的侧凸角分别为30°、23°、25°、22°、29°、21°。所需最大扭矩分别为3.1N·m、3.3N·m、4.6N·m、3.4N·m、4.2N·m和3.3N·m。螺钉所承受最大拔出力分别为418N、383N、437N、395N、420N和380N。结论:在保持一定固定范围条件下,间断减少非弧顶固定螺钉,在三维有限元模型上可得到较好的矫形效果。     

股骨生物力学有限元分析研究进展

股骨生物力学有限元分析是目前数字骨科领域的一个研究热点。该文介绍股骨有限元模型的建立及应力分析,阐述股骨损伤机制的有限元研究结果,综述股骨生物力学有限元分析技术在手术方案指导、风险预测和预后评估以及医疗器械设计、优化和改良等方面的临床应用价值。     

股骨颈骨折治疗中支持带的生物力学特点

目的：研究股骨颈骨折治疗中支持带的生物力学特点。方法 ：通过1名75岁老年女性志愿者的CT数据,经过软件处理,构建完整股骨模型和骨折后3枚空心钉固定模型,并分为有支持带模型和无支持带模型,使用不同模型的Von-Mises力分布和模型位移差异分析其稳定性差异,研究支持带在股骨颈骨折治疗中的力学特点。结果：在完整股骨上,位移最明显部位出现在股骨头的负重区。有支持带模型位移为0.381 37 mm,无支持带模型位移为0.381 68 mm。Von-Mises力分布最集中的部位在股骨颈内下方,有支持带模型为11.80 MPa,无支持带模型为11.91 MPa。在骨折3枚空心钉内固定模型中,位移最明显部位同样出现在股骨头的负重区。有支持带模型位移为0.457 27 mm,无支持带模型位移为0.458 63 mm。Von-Mises力分布最集中位置在股骨颈内下方,有支持带模型为59.22 MPa,无支持带模型为59.14 MPa。对于空心钉,Von-Mises力峰值均出现在后上方空心钉,有支持带模型为107.48 MPa,无支持带模型为110.84 MPa。3枚螺钉中前上方螺钉Von-Mises力...     

Start-up propulsion biomechanics changes with fatiguing activity in persons with spinal cord injury

Objective: Shoulder pathology is a common condition in wheelchair users that can considerably impact quality of life. Shoulder muscles are prone to fatigue, but it is unclear how fatigue affects start-up propulsion biomechanics. This study determines acute changes in start-up wheelchair propulsion biomechanics at the end of a fatiguing propulsion protocol.

Design: Quasi-experimental one-group pretest-postest design.

Setting: Biomechanics laboratory. Participants: Twenty-six wheelchair users with spinal cord injury (age: 35.5?±?9.8 years, sex: 73% males and 73% with a paraplegia).

Interventions: Protocol of 15 min including maximum voluntary propulsion, right- and left turns, full stops, start-up propulsion, and rests.

Outcome measures: Maximum resultant force, maximum rate of rise of applied force, mean velocity, mean fraction of effective force, and mean contact time at the beginning and end of the protocol during start-up propulsion.

Results: There was a significant reduction in maximum resultant force (P?<?0.001) and mean velocity (P?<?0.001) at the end of the protocol. Also, contact time was reduced in the first stroke of start-up propulsion (P?<?0.001). Finally, propelling with a shorter contact time was associated with a greater reduction in performance (maximum velocity) at the end of the protocol.

Conclusion: There are clear changes in overground propulsion biomechanics at the end of a fatiguing propulsion protocol. While reduced forces could protect the shoulder, these reduced forces come with shorter contact times and lower velocity. Investigating changes in start-up propulsion biomechanics with fatigue could provide insight into injury risk.     

不同骨水泥量在PKP术后对相邻节段生物力学影响的有限元分析

目的采用三维有限元方法分析生理载荷作用下不同骨水泥量对伤椎及相邻节段生物力学影响的差异。方法利用MIMICS软件对60例骨质疏松性胸腰段单椎体压缩骨折行椎体后凸成形(PKP)手术前后的CT数据进行预处理,然后导入ABAQUS软件中建立三维有限元模型,设置0.3 MPa轴向载荷进行生物力学分析,评价不同骨水泥量PKP术后相邻节段生物力学差异及变化趋势。结果用三维重建软件Mimics 10.01和有限元软件Ansys 11.0成功进行三维模型有限元网格划分。椎体应力分布:术前应力主要分布于椎体前部,PKP术后应力集中于骨水泥附近,椎体整体前后应力改变。骨水泥增强后的伤椎应力明显增加,平均增加约15%(4 ml为8%,5 ml为13%,6 ml为17%,7 ml为22%),轴向刚度比术前骨质疏松椎体增加了约30%。在中立位时,伤椎成形后下位椎体的应力增加约18%(4 ml为15%,5 ml为18%,6 ml为20%,7 ml为23%)。椎间盘应力分布:在轴向施加载荷时,有局部后凸畸形的椎间盘前部会承受更大应力。结论 PKP术后可引起上下相邻节段生物力分布的改变,随着骨水泥注入量的增加,对生物力学的影响有增强趋势。     

股骨生物力学特性的有限元分析

目的对股骨的生物力学特性进行研究以指导临床工作。方法根据股骨的螺旋CT片,采用计算机辅助技术建立股骨的三维有限元模型,通过分别对模型施加350、700、1400和2100N的垂直载荷及行走载荷,观察股骨的应力分布,并对结果做出分析。结果在各种载荷下,股骨颈和股骨干各有一个应力集中部位。股骨颈的应力集中部位在小转子上方、稍偏股骨颈后方处,应力值分别为6.3、12.6、25.1、37.7和20.8MPa;而股骨干以其内侧中下1/3交界处的应力最大,应力值分别为7.3、14.5、29.0、43.5和31.3MPa。结论股骨颈处的压力骨小梁和股骨距是主要的承重结构,内固定的放置应与压力骨小梁的方向一致,并紧贴股骨距;股骨干应力骨折好发于其中下1/3交界处,与此处应力集中有关。     

脊柱侧凸有限元建模方法的应用进展

脊柱侧凸是一种由多种病因导致的三维复杂脊柱畸形,常合并胸廓畸形、肩失衡等并发症。由于其尸体标本难以获取以及动物模型制作困难,致使脊柱侧凸的生物力学研究受到限制。近年来,随着计算机技术、软件开发和图像处理的不断发展,应用有限元分析法建立人类脊柱有限元数字模型的技术日臻成熟,已为脊柱侧凸的病理机制、支具的设计及应用和手术方式的选择等研究提供了有力的支持,成为脊柱侧凸生物力学研究中不可缺少的工具。建立高质量的脊柱有限元数字模型是进行分析研究的基础,但有限元建模方法多样且过程复杂,因而如何根据研究目的选择合适的建模方法成为有限元研究者的首要任务。笔者在查阅近几年国内外相关文章后,对脊柱侧凸有限元建模过程包括脊柱侧凸数据的获取方式、几何模型的建立、各组织材料属性及参数设定、有限元模型的有效性验证等方面作一综述,以资参考。     

骨质疏松性椎体压缩骨折强化术后骨组织-骨水泥界面生物力学应力再平衡机制的有限元研究

目的 ：明确脊柱骨质疏松性椎体压缩骨折（osteoporotic vertebral compression fracture,OVCF）骨水泥强化治疗后骨组织-骨水泥界面的生物力学应力再平衡机制及脊柱动态稳定重建效应。方法：选择甘肃中医药大学附属医院脊柱外科收治的OVCF患者（伤椎为T12和L1）为研究对象,提取薄层高精度的胸腰段CT影像数据,通过Mimics、Geomagic、Solidworks、Ansys Workbench有限元生物力学建模平台,建立三维数字化仿真生物力学模型,对伤椎运动节段在轴向、前屈、后伸、侧弯及旋转等不同运动工况下骨组织-骨水泥界面的等效应力进行量化研究。结果：脊柱OVCF骨水泥强化术后骨组织-骨水泥界面的等效应力极值和分布区间较术前明显优化,在轴向、前屈、后伸、侧弯及旋转等运动工况下,T12伤椎骨水泥强化治疗术后的最大主应力相比于术前显著下降,在相同的运动工况下分别为33.002MPa、35.639MPa、35.98MPa、60.458MPa、65.396MPa、60.177MPa、42.249MPa,尤其是前屈运动工况下,脊柱T12伤椎的最大主应力从...     

腰椎滑脱后路不同融合术式的有限元研究

目的 建立L4.5，滑脱节段的有限元模型，研究椎弓根螺钉内固定加后外侧植骨融合、椎弓根螺钉内固定加双枚椎间融合器（cage）植入及椎弓根螺钉内固定加单枚融合器植入等3种融合术式的固定节段的稳定性。方法 选择一名56岁退变性腰椎滑脱女性患者，以k节段为研究对象，采用螺旋CT对其进行层厚1．0mm的连续水平扫描，将所得图像进行轮廓提取和阈值分割后，借助Ansys9．0软件，建立L4.5滑脱节段三维非线性有限元模型。同时根据椎弓根螺钉、融合器的几何尺寸，分别建立其相应的有限元模型。在此基础上，根据临床术式将上述模型进行不同组合，分别建立椎弓根螺钉固定加后外侧植骨融合、椎弓根螺钉固定加双枚融合器植入及椎弓根螺钉固定加单枚融合器植入等3种腰椎滑脱后路融合术式的有限元模型，然后分别施加压缩、前屈、后伸、侧屈及旋转等各种生理载荷，观察各模型不同载荷下螺钉、融合器的应力分布及融合节段的角位移变化，由此比较各模型的稳定性。结果 后外侧植骨融合术式的螺钉应力和角位移明显高于椎体间融合术（P〈0．01）；椎弓根螺钉内固定加单枚融合器植入与椎弓根螺钉内固定加双枚融合器植入两组之间螺钉应力、融合器应力及固定椎体的角位移的差异无统计学意义（P〉0．05）；各模型固定节段螺钉及融合器的最大有效应力均出现于前屈时。结论 椎弓根螺钉内固定加单枚或双枚融合器植入的稳定性优于椎弓根螺钉内固定加后外侧植骨融合；对于椎体间融合，植入单枚融合器和双枚融合器的稳定性无明显差别。